镁合金表面ZnAl-LDHs薄膜的制备与耐蚀性研究

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镁合金因其具有比强度高、质量轻、可铸性强、吸震能力强、导热和导电性能较好的优点,在汽车、航空、通信和便携式微电子学等领域有良好的应用前景。但镁合金的化学性质活泼,腐蚀电阻很低,容易受到氯离子的侵蚀,这成为了限制其应用的瓶颈。近年来,研究人员发现:层状双层氢氧化物(LDHs)具有独特的层状结构和层间阴离子可交换性,可以用于镁合金表面,减少镁合金与腐蚀液的接触,从而有效地提高其耐蚀性能。在LDHs材料中,ZnAl-LDHs材料的阴离子交换反应较容易发生,被广泛用作容器装载腐蚀抑制剂以提高镁合金的耐蚀性能。利用不同阴离子插层进入ZnAl-LDHs的层间,能够调控LDHs的形貌、层间距,并影响其耐蚀性能。为此,本论文以镁合金为衬底,分别制备了无机阴离子(NO3-、Cl-、VO43-、PO43-和MoO42-)插层的ZnAl-LDHs和有机阴离子(月桂酸(La)和天冬氨酸(ASP))插层的ZnAl-LDHs薄膜,采用SEM、EDS、XRD、FT-IR、电化学工作站等手段,系统探究了不同阴离子种类对ZnAl-LDHs薄膜的形貌、结构和耐蚀性能的影响。得出的主要结论如下:(1)用水热法在AZ31镁合金上制备了ZnAl-NO3--LDHs薄膜;通过离子交换获得不同阴离子(Cl-、VO43-、PO43-和MoO42-)插入的ZnAl-LDHs薄膜,其薄膜都表现出均匀致密的纳米片状结构,且NO3-、Cl-、PO43-、MoO42-到VO43-阴离子插层的薄膜厚度逐渐增加,薄膜越厚越有利于阻挡Cl-的渗透。(2)通过极化曲线和EIS测试了不同阴离子插层的LDHs薄膜的耐蚀性能,其强弱顺序为:ZnAl-VO43--LDHs>ZnAl-MoO42--LDHs>ZnAl-PO43--LDHs>ZnAl-Cl--LDHs>ZnAl-NO3--LDHs。其中,ZnAl-Cl--LDHs薄膜中Cl-的存在可以减少外界Cl-的渗透从而有效减缓腐蚀的发生。而PO43-、MoO42-和VO43-阴离子插层的LDHs薄膜,通过吸收Cl-和释放层间阴离子作为腐蚀抑制剂以减缓腐蚀,其耐蚀性均优于ZnAl-Cl--LDHs。其中VO43-阴离子插层的ZnAl-LDHs薄膜的基底间距d(003)值最大,其吸收Cl-和释放阴离子的能力最强,腐蚀电流(3.026×10-7 A/cm2)比镁合金基底腐蚀电流(7.482×10-5 A/cm2)小两个数量级,耐蚀性能最优。(3)采用水热法在镁合金衬底上原位制备了ASP和La插层的ZnAl-LDHs薄膜,两种薄膜都均匀致密地生长在镁合金表面,ZnAl-ASP-LDHs薄膜呈现出垂直生长的纳米片状结构,而ZnAl-La-LDHs薄膜则呈现出相互交错的倾斜纳米片状结构,更有利于阻挡Cl-的侵蚀。La阴离子插层的ZnAl-LDHs的基底间距d(003)值远大于ASP阴离子插层的ZnAl-LDHs,这说明ZnAl-La-LDHs薄膜具有更好的吸收Cl-的能力。(4)ZnAl-ASP-LDHs薄膜表面的纳米片在腐蚀后溶解形成了致密的保护层,而ZnAl-La-LDHs薄膜表面的纳米片在腐蚀后变得更为垂直。ZnAl-La-LDHs薄膜的腐蚀电流密度(2.772×10-7 A/cm2)优于ZnAl-ASP-LDHs薄膜(3.933×10-7 A/cm2),两者均比镁合金基底(7.482×10-5 A/cm2)的腐蚀电流密度低两个数量级,表明有机阴离子(ASP、La)插层的ZnAl-LDHs薄膜能够提高镁合金的耐蚀性,且ZnAl-La-LDHs薄膜的耐蚀性能更优。
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